K型井架（精选3篇）
K型井架 篇1
有限单元法是一种起源于结构矩阵分析的多物理场数值计算方法, 目前已经成为工程领域中不可或缺的计算机辅助分析方法, 作为著名的有限元软件ANSYS, 搭建起了有限元理论和工程数值之间的桥梁, 随着有限元技术的发展, 石油井架设计业从传统设计方法向有限元设计方法转变。
井架是石油钻机的重要组成部分, 它是一种塔桅式的钢结构物。井架属于钻机的提升系统, 主要用于安放天车、游车、大钩、顶驱等设备和工具, 承受起下钻、下套管及其他生产作业的工作荷载、自然荷载 (风荷载、雪荷载、地震荷载等) 的作用。
1 井架有限元模型建立
井架高度47.05m, 分为四段, 分别为11.8+11.8+11.8+11.65, 结构采用H型钢和角钢组合而成, 参数分别为H 294×200×8×12、H 294×300×8×12、L100×100×8、L90×56×6, 节点主要采用焊接方式进行连接, 节点在荷载作用下会产生较大的拉压应力和弯曲应力。该井架最大设计荷载为2200kN。
井架材料主要采用Q 345B钢材, 弹性模量2.1×105MPa, 密度7.8×10-6kg·mm-3, 材料屈服极限345MPa, 材料强度极限470～630MPa结构单元形式采用空间梁单元BEAM 188, 该单元中的每个节点都有6个自由度 (Ux, Uy, Uz, ROTx, ROTy, ROTz, 既考虑了轴向受载, 同时也考虑了结构在横向载荷作用下发生的弯曲和扭转。在不影响计算精度的情况下, 井架结构截面采用4中截面形式, 对模型进行网格划分得到1376个节点, 1501个单元, 其模型如图所示
2 井架的静力分析
通过计算, 该井架在最大荷载 (2200kN) 作用下, 顶口最大位移DMX=29.633, 井架变形情况如图2所示, 通过观察可以得知, 在静力荷载作用下, 井架稍微后仰, 模型顶部节点位移最大。
3 井架的动力分析
结构动力分析中的一个重要问题就是进行结构的固有振动特性分析, 结构固有振动只于结构自身的质量和刚度分布有关。Ansys程序通过模态分析来计算结构的固有振动特性以此来确定结构的固有频率以及震型, 典型的无阻尼机构自由振动的运动方程为:[M]{X}+[K]{X}={0}
式中:[M]———质量矩阵;
[K]———刚度矩阵;
{X}———位移向量;
{X}———加速度向量。
井架作业过程中会受到来自多种振源的激励作用, 不可避免地要发生振动。如果对振动不加以控制, 将影响钻机的正常作业, 严重时会产生共振现象, 导致钻机完全不能工作。
利用ANSYS对井架模型进行模态分析, 得到其前四阶震型。轴力, 轴应变, MZ, MY, XZ平面的剪力计算结果, 如图3所示。
利用ANSYS对井架模型进行模态分析, 得到其前四阶震型, 如图4所示。
由图4可以观察到, 第1阶震型表现为绕X轴后仰, 第2阶震型表现为绕X轴前倾, 第3阶震型表现为绕Y轴的扭转, 第4阶震型表现为上下摆动。
4 结语
通过建立模型对该井架进行静力分析, 得到了位移、应力、应变等相关数据。由计算结果可知, 该井架满足强度要求。对模型进行模态分析得到井架的相关震型在研究井架工作过程中对多种震源起到了激励作用, 控制其产生的振动作用, 防止共振的发生, 保护钻机的安全性有重要的借鉴意义。
摘要：运用大型有限元分析程序Ansys建立了JJ2250/43-K井架模型, 充分考虑结构承载的实际情况, 运用必要的简化手段, 采用三维梁单元对杆件进行了模拟, 在设计荷载作用下进行了静力与动力特性分析。其分析计算结果, 对井架在实际使用过程中提供了借鉴作用。
关键词：钻机模型,有限元模型,动力特性
参考文献
[1]ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M]. (第2版) .中国水利水电出版社, 2008.
[2]ANSYS7.0基础教程与实例详解[M].中国水利水电出版社.
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[8]宋若峰, 李为行.基于ANSYS的立井井架力学有限元分析[J].2008, 29 (4) :69.
23-1K型井架的模拟与分析 篇2
井架主体结构的材料为Q345钢, 屈服强度345MPa, 其弹性模量E为2.06×1011Pa、切线模量TE为2.06×1010Pa、泊松比ν为0.3、密度为ρ为7850kg/m3。为了方便表述, 对井架的大腿进行编号, 编号规则为:自下而上分成23层, 每层四个大腿按逆时针编号为1～4, 如图1中第7、10层所示, 在后面分析中大腿均以第i层第j柱表示 (i=1, 2, , , 22;j=1, 2, 3, 4) 。井架的有限元模型参见图2, 使用beam188单元划分网格。
2 边界条件
(1) 载荷:23-1 K型井架的额定工作载荷为225t, 将载荷均分为4份, 施加在井架顶端的四个节点上。计算中考虑井架死绳、快绳和自重的影响, 快绳的垂向偏角为3.3°, 按照死绳和快绳的位置将载荷分配在四个节点上。
(2) 约束条件:将人字架与井架主体结构相近节点耦合, 并约束人字架下端及井架主体下端共6个节点的位移和转动自由度。如图3所示。
3 井架线弹性静力分析
3.1 井架应力分析
井架在额定载荷225t下的Von Mises应力分布如图4所示。由图4可知, 井架最大应力为135MPa, 位于井架第21层4柱。井架承载较大的部位位于井架的四根大腿, 横梁和斜撑的应力相对较小。
3.2 井架变形分析
图5为井架的变形前后的比较结果, 最大位移发生在井架的顶端, 其位移值为83mm。
4 稳定性分析
通过非线性屈曲分析, 得到井架顶部节点沿高度方向的位移和载荷的关系如图6。由图6可知, 当大钩载荷增加到6 4 7.4 t时, 出现载荷减小而位移持续增加的现象, 则载荷647.4t即为井架结构的一阶屈曲临界荷载。
5 结语
本文通过井架的结构应力模拟与分析, 确定应力分布大小, 对设计与制造井架选材提出了强度计算的依据, 确保井架在后续作业过程中安全可靠运行。
参考文献
[1]魏辽, 颜廷俊, 刘宇.基于APDL的损伤缺陷对K形井架受力影响分析[J].石油矿场机械, 2010, 39 (3) :5～8.
ⅣG型凿井井架的快速安装方法 篇3
1.ⅣG型凿井井架;2.12.卡兰;3.螺母;4.方斜垫;5.天轮梁;6.9.轴承座;7.高强度螺栓;8.平垫;10.天轮;11.井架钢梁;13.倒矸台层
一、工程概况
徐州矿务集团红山煤矿风井设计井筒全深330m, 为满足井筒后期改绞需要, 设计选用ⅣG型钢管井架, ⅣG型井架全高25.87m, 第一层平台高10.5m, 底部跨距15.3m×15.3m, 天轮平台尺寸7.0m×7.0m, 总重量58.541t。除G-14, G-18斜拉撑及扶梯等部件外, 共包含70个钢管件。ⅣG型凿井井架整体示意图如图1。
二、施工材料准备
(一) 井架主体准备材料。
M36×1800mm地脚螺栓16套, 包含1个平垫, 2个闭母;M27×110mm高强度螺栓32套;M24×90mm高强度螺栓96套;M24×80mm高强度螺栓1176套;M20×60mm高强度螺栓40套;除地脚螺栓外其余螺栓均配1个平垫, 1个螺母。保险带15根;麻绳4大捆;制作云梯使用的50×50mm L=600mm方木220根;元宝卡子15#30个;做接地极使用的Φ50.8mm镀锌钢管6m;做避雷针使用的Φ38.1mm镀锌钢管6m;拉紧揽风绳使用的5T手拉葫芦4个;安装井架钢管使用的2T手拉葫芦2个;铁板10mm 1m2, 斜垫铁L=350mm 32组;放线使用的铁丝18#3Kg;线绳子2捆;马镫27#8个;马镫20#8个;高压针式瓷瓶3个;避雷针1套;制做避雷针引线使用的钢绞线Φ13.3mm 50m;做留绳使用的Φ13.3mm钢丝绳200m;尖锥8个;撬棍4个;24磅大锤2把;电焊条Φ4.2mm 4箱;电焊条Φ3.2mm 2箱;电焊机2套, 附带做电焊机电源线的3×4+1×25电缆线2套、10mm2把子线、10mm2地线2套;20T螺旋千斤顶4个;氧气乙炔带子2套, 其中一套长度超过35m;割嘴4个;电焊把子2个;氧气把子2个;50m卷尺1把;7.5m钢卷尺4把;提料使用的棕绳Φ30mm 50m;挂保险带使用的镀锌钢丝绳Φ8mm 50m;梅花扳手36mm~41mm 8把;活口扳手600×65mm 1把;留绳时使用的Φ13.3mm绳头4m/根8个;放中线时用的钢锯2把, 锯条1盒。
(二) 井架天轮平台准备材料。
按设计要求准备天轮梁, 天轮及天轮梁卡兰, 每个天轮梁配4个卡兰;每个卡兰配1个方斜垫, 1个平垫, 2个闭母;每个天轮配8个高强度螺栓。
三、施工方法与每日工作量
(一) 凿井井架主体安装。
1. 施工第一天。
做好井架安装的准备工作。在工地地面用麻绳将长度L=600mm的小方木顺着井架绑在G-1, G-2, G-3, G-4, G-5, G-6上, 作为云梯以方便施工人员上下井架使用。在8根G-8钢管及8根G-10钢管的上侧同样绑一根小方木, 以作为施工人员在高空拔紧螺栓时的承力点。在地面将4个G-7裤衩盘形管件分别与L-1, L-2, L-3, L-4四根大梁用96套M24×90mm高强度螺栓连接。制作好准备拔紧井架螺栓时使用的吊篮。
2. 施工第二天。
使用一台25T吊车, 在地面用螺栓将G-5, G-6, G-12, G-13, G-17, G-19, G-20, G-22依次连好, 组装成对称的两扇。为方便组装并参照设计要求, 第一层螺栓均可选用M24×80mm高强度螺栓, 组装第一层对称的两扇井架管件共需要高强度螺栓448套。
3. 施工第三天。
每扇已组装好的井架上以G-5, G-6上端管子盘的盘孔为受力点, 利用4个马镫、4个5T手拉葫芦、4段长度为50m的Φ13.3mm钢丝绳及4个绳头制作揽风绳。以G-13, G-17管件上距离对称中线约3.8m位置的作为吊点, 使用2台25T吊车同时牵引一扇已组装好的井架, 为防止井架结构发生形变, 2台吊车应使用低速提升并尽量保持拉力均匀, 吊车上应有专业安装人员指挥吊车, 井架被提升到约90°时, 检查起吊设备及井架状态, 确认无误后再缓缓提升井架。井架微微离开地面约10mm时, 再次检查起吊设备及井架, 确认设备安全后方可继续提升。待井架被提升高度略超过井架基础高度时, 在井架每个基础上垫2根长度为1m的Ⅰ11工字钢及4组长度为350mm的精铁砂, 为调整井架高度做好准备, 再将井架缓慢调整至井架基础上方, 穿好M36×1800mm地脚螺栓。拉紧揽风绳后将其固定在地锚上, 调整手拉葫芦, 使揽风绳有力。在井架基础的支撑力、地脚螺栓阻力、井架自重和揽风绳的拉力共同作用下, 井架达到不会倒塌的状态。此时施工人员可以顺着制作好的云梯爬到吊点位置, 解除马镫、钢丝绳。另一扇组装好的井架也可依照此方法立起并留住。之后用吊车吊起两根G-11管件, 选用32套M24×80mm高强度螺栓。由施工人员将其与两扇井架连接拔紧, 然后可以松掉揽风绳。之后利用全站仪将矿方提供的坐标点引至井架上, 调整铁砂高度使井架中心线与两个坐标点保持在同一平面上, 利用水平仪找正井架水平度, 利用50m钢卷尺测量对角线长度, 调整铁砂高度使对角线长度一致。水平垂直都找正后再次利用经纬仪复查井架中心线, 使井架中心线与矿方给定的坐标线偏差在5mm以内。至此, ⅣG型井架第一层安装完成。
4. 施工第四天。
依次吊装一面的G-3, G-4, G-10共6个管件, 吊装好一后, 再将G-15, G-16组合梁吊装好, 再将另一面的6个管件用螺栓连接在井架一层管子盘上, 将4根G-14, G-18斜拉撑与G-3, G-4及组合梁连接, 最后将4根G-9管件与G-3, G-4连接起来, 连接G-9的过程中要合理使用手拉葫芦调节牵引G-3, G-4管件的钢丝绳, 使G-3, G-4管件的距离刚好可以放下G-9管件, 连接好G-9管件后, 井架第二层主体安装即完成。第二层共使用256套M24×80mm高强度螺栓, 40套M20×60mm高强度螺栓。
5. 施工第五天。
依次吊装G-1, G-2, G-8管件, L-3, L-4, L-5, L-1, L-2大梁。安装大梁时同样要合理使用手拉葫芦调节牵引G-3, G-4管件的钢丝绳, 使大梁下方螺栓孔与G-1, G-2管件上螺栓孔对应。要注意由于L-5大梁具有斜度, 大梁下面的垫板倾斜方向向下。井架第三层安装完成, 要注意G-1, G-2与大梁连接处要使用32个M27×110mm高强度螺栓。安装井架第三层需要408套M24×80mm高强度螺栓。
6. 施工第六天。
拔紧井架所有连接部位的螺栓, 使用1台25T吊车和吊篮将人员提升至需要紧螺栓而人员又不好到达的位置, 例如, G-7与G-8管件连接处, 其余可以通过云梯到达的位置可安排施工人员直接拔紧螺栓。由测量技术人员利用全站仪将矿方提供的井筒中心线引至井架第三层大梁对称中心, 第二层G-11管件对称中心, G-13与G-17的接合处作为井架及天轮平台中心线。
(二) 凿井井架天轮平台安装。
1. 施工第七天。
借用已经引到大梁上的井筒中心线的点来确定井架中心线, 在天轮平台上预先划出天轮梁的中心线, 由电焊工使用氧气乙炔将天轮平台上突出不平的地方扫平, 之后用25T吊车将天轮梁按照设计依次吊装到天轮平台上摆好, 天轮梁就位后, 再由电焊工在天轮梁相应位置上割出卡兰孔, 用吊车将天轮平台卡兰吊装到天轮平台上, 以备安装卡兰。卡兰上带有2个闭母及1个方斜垫, 其作用是将天轮梁紧固在井架第3层大梁上, 每个天轮梁由4个卡兰固定。靠近井架边缘的天轮梁如果无法用卡兰紧固, 则直接焊在天轮平台上。
2. 施工第八天。
用卡兰将天轮梁固定在井架大梁上, 在青稞纸上画出天轮轴承孔图样, 在天轮梁上依照图样画出孔眼, 再由电焊工割出孔眼, 使用25T吊车将天轮依次摆在天轮梁相应位置, 使用M24×150mm高强度螺栓将其安装在天轮梁上, 每个天轮配8个螺栓, 每个螺栓配2个闭母, 1个平垫, 1个方斜垫。最后, 为避免实际应用天轮出现刮绳问题, 要利用三角函数验证天轮安放的位置是否合理, 确认无误后天轮平台即安装完毕。
(三) 凿井井架外部设施安装。
井架主体及天轮平台安装完毕后, 要完善扶梯, 根据施工设计安装倒矸台, 复查井架十字中心线, 浇灌井架基础。
四、效果评价
徐州矿务集团新疆红山煤矿风井ⅣG型凿井井架主体及天轮平台安装工程从2013年9月17日开始至2013年9月25日结束, 通过合理的施工方法, ⅣG型凿井钢井架主体安装工期6天, 天轮平台安装工期2天。整个工程安全无事故, 达到施工设计要求, 取得了较好的经济效益, 其方法值得推广。
摘要：在煤矿立井井筒施工建设过程中, 凿井井架担负着重要的提升任务, 根据待建井筒深度的不同, 应选用不同型号的钢井架。提高井架的安装速度可以为施工节约成本并减少工期, 本文以江苏省矿业工程集团建井工程处中标的徐州矿务集团红山煤矿风井ⅣG型钢井架为原型, 详细介绍了安装钢井架的安装方法及每日工作量, 此方法结合了钢井架安装常用的“接装法”与“分扇组装法”, 提高了井架的安装速度, 其方法值得推广。
关键词：ⅣG型凿井井架,施工材料,施工方法,每日工作量
参考文献
[1] .潘亚子, 李珩.提高凿井井架安装速度技术措施[J].煤炭工程, 2009
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